張華民有多重身份，既是大連融科儲能公司總工程師，也是中科院大連化學(xué)物理所研究員。在張華民的帶領(lǐng)下，由兩家機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊針對“全釩液流電池儲能技術(shù)及應(yīng)用”開展了十余年的研發(fā)攻關(guān)。在2015年國家科學(xué)技術(shù)獎中，該成果榮獲國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎。這是一項怎樣的技術(shù)發(fā)明?又開創(chuàng)了一條什么樣的自主創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用之路?本報記者在采訪中得到了答案。
全釩液流電池滿足新能源并網(wǎng)技術(shù)要求
風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控等特性，大規(guī)模并網(wǎng)會給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來沖擊，也造成了大量的棄風(fēng)棄光問題。
在當(dāng)初選擇液流電池開發(fā)時，張華民便篤定，可再生能源將逐漸由輔助能源轉(zhuǎn)為主導(dǎo)能源，而風(fēng)能、太陽能等可再生能源普及應(yīng)用的瓶頸技術(shù)就是儲能。“大規(guī)模儲能技術(shù)可以有效實現(xiàn)可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性、間歇性和波動性等問題，實現(xiàn)調(diào)幅調(diào)頻、平滑功率輸出、跟蹤計劃發(fā)電，從而提高電網(wǎng)對可再生能源發(fā)電的消納能力，解決棄風(fēng)棄光問題。”張華民說。
國內(nèi)從2000年開始液流電池技術(shù)的開發(fā)，在技術(shù)路線選擇上，張華民認(rèn)為，必須滿足三個條件：安全性好、生命周期性價比高、生命周期的環(huán)境負(fù)荷低。
“全釩液流電池儲能技術(shù)因其具有儲能規(guī)模大，適合于百千瓦到百兆瓦級的應(yīng)用范圍;充放電切換應(yīng)答速度快;儲能介質(zhì)為水溶液，安全可靠;電池均勻性好，使用壽命可達(dá)15年以上，而釩電解液可以半永久性地反復(fù)使用，壽命周期性價比高，環(huán)境友好等突出優(yōu)勢，是大規(guī)模儲能的首選技術(shù)之一。”張華民回憶說。
在敲定技術(shù)路線后，進(jìn)入到研發(fā)階段，張華民發(fā)現(xiàn)技術(shù)門檻還是非常高的。“全釩液流電池儲能系統(tǒng)的開發(fā)要求多學(xué)科交叉，涉及到材料學(xué)、電化學(xué)、化學(xué)工程、自動控制等學(xué)科，而且技術(shù)在國際上都是處在同一位置，無既有經(jīng)驗可資借鑒。”
在挑戰(zhàn)面前，研發(fā)團(tuán)隊立足自主創(chuàng)新，十多年來堅持基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)并重，關(guān)鍵材料、核心部件研發(fā)及電池系統(tǒng)集成創(chuàng)新與示范應(yīng)用的研究開發(fā)理念，取得了一系列重大技術(shù)突破。
自主產(chǎn)權(quán)奠定產(chǎn)業(yè)化基石
張華民告訴記者，研究團(tuán)隊始終堅持政產(chǎn)學(xué)研用緊密合作的創(chuàng)新研究開發(fā)機(jī)制，形成了包括液流電池關(guān)鍵材料設(shè)計制造、電堆及電池儲能系統(tǒng)設(shè)計集成、儲能系統(tǒng)智能控制、工程應(yīng)用及運行管理、液流電池新體系在內(nèi)的完整自主知識產(chǎn)權(quán)體系。
第一，突破了液流電池關(guān)鍵材料包括非氟離子傳導(dǎo)膜、電解質(zhì)溶液、液流電池雙極板的設(shè)計與制備技術(shù)，原創(chuàng)性地研制成功液流電池用高選擇性、高傳導(dǎo)性、高穩(wěn)定性非氟離子傳導(dǎo)膜，高導(dǎo)電性、高活性碳素復(fù)合雙極板材料及高穩(wěn)定性電解質(zhì)溶液。
第二，突破了全釩液流電池電堆的設(shè)計集成技術(shù)，發(fā)明了大功率、高功率密度電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和制造技術(shù)，設(shè)計集成出32千瓦大功率液流電池單體電堆，突破了單體電堆工程化制造技術(shù)。
第三，突破了高功率、大容量、高集成度全釩液流電池儲能系統(tǒng)設(shè)計方法及多體耦合控制技術(shù)。原創(chuàng)性地提出了模塊化設(shè)計理念，開發(fā)出不同規(guī)模等級、可獨立運行的全釩液流電池單元系統(tǒng)模塊。突破了多系統(tǒng)耦合控制技術(shù)，實現(xiàn)了多個液流電池單元系統(tǒng)模塊高效、經(jīng)濟(jì)與穩(wěn)定運行。發(fā)明了大規(guī)模儲能系統(tǒng)控制管理策略，實施了迄今世界上最大規(guī)模的5MW/10MWh全釩液流電池儲能系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用工程。
此外，在技術(shù)開發(fā)過程中，張華民非常重視標(biāo)準(zhǔn)的制定，通過全釩液流電池的開發(fā)，研究團(tuán)隊主持起草了3項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、5項國家標(biāo)準(zhǔn)和1項國際標(biāo)準(zhǔn)，領(lǐng)軍能源行業(yè)國家及國際液流電池標(biāo)準(zhǔn)的制定，引導(dǎo)了全球液流電池技術(shù)的發(fā)展。
產(chǎn)業(yè)應(yīng)用已見成效
在液流電池儲能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上，張華民的夙愿已見成效。通過全釩液流電池儲能系統(tǒng)的開發(fā)，實施了為海島、邊遠(yuǎn)地區(qū)可再生能源發(fā)電、分布式供電及風(fēng)電場平滑輸出、計劃發(fā)電等提供儲能解決方案的近30余項商業(yè)化示范工程，積累了豐富的工程技術(shù)和運行管理經(jīng)驗。
與此同時，依托自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)驗積累，積極開展國際合作，開拓國際市場。產(chǎn)品已出口美國、歐洲、日本等多個國家和地區(qū)，自2003年至今，大連融科儲能公司的全釩液流電池用電解液已出口300多兆瓦時，約占全球市場份額的75%;2014年，成功中標(biāo)歐洲首套兆瓦以上級商業(yè)全釩液流電池儲能項目，并已在德國分布式電網(wǎng)中獲得應(yīng)用。
對進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，張華民建議，儲能也應(yīng)該像其他產(chǎn)業(yè)一樣，有產(chǎn)業(yè)政策的支持。“儲能產(chǎn)業(yè)必將是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是一個萬億美元的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)在國家得趕快出臺扶持政策。”
